悬架系统设计作业指导书
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前言
为使本中心悬架系统设计规范化，参考国内外汽车设计的技术规范，结合公司标准和已开发车型的经验，编制本作业指导书。意在对本公司设计人员在设计过程中起到一种指导操作的作用，让一些相关设计经验不够丰富的员工有所依据，提高设计的效率和成效。本作业指导书将在本中心所有车型开发设计中贯彻，并在实践中进一步提高完善。
本标准于201X年XX月XX日起实施。
本标准由上海同捷科技股份有限公司第五研发中心底盘总布置分院提出。
本标准由上海同捷科技股份有限公司第五研发中心底盘总布置分院负责归
口管理。
本标准主要起草人：蔡礼刚
目录
1 悬架系统概述 (1)
1.1悬架系统功能 (1)
1.2悬架系统构成 (1)
1.2.1独立悬架结构型式 (1)
1.2.2复合式悬架结构型式 (3)
1.3悬架的发展趋势 (4)
1.3.1液压调控悬架系统 (4)
1.3.2空气悬架系统 (5)
1.3.3电控磁性液体悬架系统 (6)
1.4主要零部件介绍 (7)
1.4.1弹性元件 (7)
1.4.2减振器 (8)
1.4.3缓冲块 (10)
1.4.4横向稳定杆 (11)
1.4.5控制臂和推力杆 (12)
2 悬架系统的主要设计流程及要求 (13)
2.1悬架系统的主要设计流程 (13)
2.2悬架系统设计要求 (16)
2.3相关设计标准 (16)
3 悬架系统设计过程 (17)
3.1设计输入及标杆车对比分析 (17)
3.1.1设计输入 (17)
3.1.2标杆车对比分析 (17)
3.1.3设计构想 (24)
3.1.4相关试验 (25)
3.2匹配计算 (27)
3.3开发方案确认 (27)
3.4系统总成的设计 (28)
3.4.1四轮定位参数的确定 (28)
3.4.2悬架刚度的确定 (30)
3.4.3减振器的匹配 (31)
3.4.4悬架系统的对比分析及借用 (33)
3.5紧固件选取及拧紧力矩确定 (35)
3.6CAE分析 (36)
3.6.1悬架强度分析 (36)
3.6.2 CAE分析内容列表 (40)
3.7DMU校核 (40)
3.7.1拆装性校核 (40)
3.7.2悬架运动校核 (41)
3.8悬架系统对称性检查 (42)
3.9技术文件的编制 (42)
4 设计问题横展 (43)
4.1运动件周边间隙问题 (43)
4.2悬架匹配问题 (44)
4.3后续项目必须检查的内容 (44)
参考文献 (45)
悬架系统设计作业指导书
1 悬架系统概述
1.1悬架系统功能
悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并缓和汽车行驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。
1.2悬架系统构成
汽车悬架通常由弹性元件、导向机构及减振器组成。弹性元件用来传递垂直力和缓解冲击，当汽车横向角刚度较小时，还需要增加横向稳定杆以减小车身的侧倾；导向机构用来控制车轮相对于车身的运动特性，以保证必要的稳定性，同时传递除垂直力以外的力和力矩；减振器仅用来衰减车身和车桥（或车轮）的振动振幅，它并不能改变悬架的“硬软”程度。
根据导向机构的特点,汽车悬架可分为独立悬架、非独立悬架以及介于两者之间的复合式悬架。
按照弹性元件的分类，汽车悬架可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等。
按照作用原理，可以分为被动悬架、主动悬架和介于二者之间的半主动悬架。
轿车上常用独立悬架与复合式悬架。
1.2.1独立悬架结构型式
独立悬架有多种结构型式，比较常见的有:
1）双横臂式独立悬架
双横臂式独立悬架的主要结构特点是悬架每侧均有两根横臂分别铰接在车身或副车架上，如果是用作前悬架，则横臂外端通过球铰与转向节连接。如图1-1所示：
图1-1双横臂式独立悬架
2）麦弗逊式独立悬架
麦弗逊式独立悬架是双横臂式独立悬架的发展，汽车轮罩上的铰接点代替了上横臂，其主要结构特点是所有承担弹性元件功能和车轮导向功能的零件组合在一个结构单元里，如图1-2所示：
1-2麦弗逊式独立悬架
3）多连杆独立悬架
多连杆式独立悬架是用多根拉杆（通常4~5根）代替双横臂式悬架上、下两个A 型臂的悬架结构。其结构和双横臂式独立悬架没有很大区别，但结构种类比较多，几乎每个车型都不相同。如图1-3所示：
图1-3多连杆独立悬架
上图为CHC011后悬架结构，为多连杆式独立悬架，其上摆臂相当于将上臂、及导向臂合并在一起。其原型如图1-4
所示：
图1-4多连杆独立悬架
1.2.2复合式悬架结构型式
复合式悬架最常见的型式为纵臂扭转梁式，左右车轮通过单纵臂与车架（车身）铰接，并用一根扭转梁连接起来，如图1-5所示，一般用于前置前驱动汽车的后悬架上。
图1-5纵臂扭转梁式复合式悬架
1.3悬架的发展趋势
对于一款好车而言，良好的舒适性及操纵性一直是衡量汽车性能的两大核心标准。悬架系统的发展趋势就是通过各种手段控制底盘的高度和软硬程度，达到舒适与运动的统一和谐。如今汽车底盘可变系统按控制类型可分为三大类：液压调控悬架系统、空气悬架系统和电控磁性液体悬架系统。 1.3.1液压调控悬架系统
装备液压调控悬架系统的汽车，在整车重心附近安装有纵向、横向加速度传感器，用来采集车身振动、车轮跳动、车身高度和倾斜状态等信号，这些信号被输入
到控制单元ECU，ECU 根据输入信号和预先设定的程序发出控制指令，控制伺服电机并操纵前后四个执行油缸工作。通过增减液压油的方式实现车身高度的升或降，也就是根据车速和路况自动调整离地间隙，从而提高汽车的平顺性和操纵稳定性，代表车型：宝马7系。如图1-6所示：
减震器 螺旋弹簧
图1-6主动液压悬挂
1.3.2空气悬架系统
与传统钢制汽车悬挂系统相比较，空气悬挂具有很多优势，最重要的一点就是弹簧的弹性系数也就是弹簧的软硬能根据需要自动调节。例如，高速行驶时悬挂可以变硬，以提高车身稳定性，长时间低速行驶时，控制单元会认为正在经过颠簸路面，将悬挂变软来提高减震舒适性。
另外，车轮受到地面冲击产生的加速度也是空气弹簧自动调节时考虑的参数之一。例如高速过弯时，外侧车轮的空气弹簧和减振器就会自动变硬，以减小车身的侧倾，在紧急制动时电子模块也会对前轮的弹簧和减振器硬度进行加强以减小车身的惯性前倾。因此，装有空气弹簧的车型比其它汽车拥有更高的操控极限和舒适度,代表车型：奔驰 S350。如图1-7所示：
图1-7空气悬挂系统
1.3.3电控磁性液体悬架系统
利用电磁反应的一种新型独立悬挂系统，它可以针对路面情况，在1毫秒时间内作出反应，抑制振动，保持车身稳定，特别是在车速很高又突遇障碍时更能显出它的优势。它的反应速度比传统的悬挂快5倍，即使是在最颠簸的路面，也能保证车辆平稳行驶。
电磁悬挂系统是由车载控制系统、车轮位移传感器、电磁液压杆和直筒减振器组成。在每个车轮和车身连接处都有一个车轮位移传感器，传感器与车载控制系统相连，控制系统与电磁液压杆和直筒减振器相连。
直筒减振器有别于传统的液压减振器，没有细小的阀门结构，不是通过液体的流动阻力达到减振的目的。电磁减振器中也有减振液，但是，那是一种被称为电磁液的特殊液体(Magneto-rheological Fluid)，是由合成的碳氢化合物和微小的铁粒组成。
平时，磁性金属粒子杂乱无章地分布在液体里，不起什么作用。如果有磁场作用，它们就会排列成一定结构，减振液就会变成近似塑料的状态。减振液的密度可以通过控制电流流量来精确控制，并且是适时连续的控制。
系统的工作过程是：当路面不平引起车轮跳动时，传感器迅速将信号传至控制系统，控制系统发出指令，将电信号发送到各个减振器的电子线圈，电流的运
动产生磁场，在磁场的作用下，减振器中的电磁液的密度改变，控制车身，达到减振的目的。如此变化说起来复杂，却可以一秒中进行1000次，可谓瞬间完成。
电磁悬挂系统可以快速有效地弥补轮胎的跳动，并扩大悬挂的活动范围，降低噪音，提高车辆的操控准确性和乘坐舒适性,代表车型:凯迪拉克SLS赛威(。如图1-8所示：
图1-8电磁悬挂系统
1.4主要零部件介绍
1.4.1弹性元件
汽车悬架用弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧等。弹性元件的作用是支撑垂直载荷，缓和、抑制不平路面引起的振动和冲击。设计时应测量标杆车弹簧刚度，作出弹性曲线，以此为参考选择合适的弹簧。关于弹簧刚度的理论计算方法可参考《弹簧手册》或刘维信《汽车设计》。
由于制造工艺水平的限制，弹簧制造精度难以控制，为使整车姿态保持平衡，不向一侧倾斜，生产时一般将弹簧进行分组，如图1-9所示：
图1-9 CH041后螺旋弹簧二维图
图中弹簧自由高度为328mm，在指定高度（图中1-9中260）测量的附加载荷范围：1632±76N,为缩小制造公差，我们可以把弹簧分成两组：
1556N≤F＜1632N，在指定位置涂黄色标记
1632N≤F≤1708N，在指定位置涂红色标记 装配时选用同种颜色标记的弹簧，这样公差范围就由原来的±76N缩小到±38N。
不同状态弹簧及相应供应商对分组的划分区间或定义稍有不同，需根据零部件状态及供应商具体确定。
1.4.2减振器
减振器最常见的主要有三种结构型式:双筒式、单筒充气式和双筒充气式。目前轿车上一般使用的是双筒充气式液力减振器。单筒式及双筒式减振器结构型
式如图1-10所示，具体工作原理可参考刘维信《汽车设计》13.10中所述。
图1-10双筒式、单筒式减震器结构型式
减振器特性主要用示功图和阻力-速度特性曲线表达。示功图反映的是力与位移之间的关系。如图1-11所示：
图1-11 减振器的阻力-位移特性与阻力-速度特性（德系） 减振器在进行性能测试时一般有两组对应的速度值，如下表所示：
序号 速度（m/s） 标准体系
1 0.05 0.1 0.3 0.6 1（1.5）日系
2 0.05 0.1
3 0.26 0.39 0.52 1（1.5） 德系
我国汽车行业标准:《汽车筒式减振器 台架试验方法》（QC/T 545-1999）,参考的是德系标准，试验速度为0.52 m/s，但目前国内许多减振器生产厂家采用的是日系标准，试验速度为0.3 m/s。若对减振器做耐久性试验，考察试验前后阻尼率变化率，跟试验的速度无关，若单纯做减振器的性能试验，则应按照相应的标准执行。
这里的试验速度指的是某一特定组合(试验台转速和减振器行程)下的活塞最大运动速度,根据减振器特性,在此计算点之前或之后,其阻力会更大或更小。
比如当试验台转速n 为100min -1,减振器行程s 为100mm 时，活塞运动的最大速度V Dmax 为:
V Dmax =πsn/60 =3.142*100*100/60*10-3=0.524 m/s
为了简化，在校核减振器的性能时，一般从示功图上很容易得出拉伸与压缩状态的最大阻尼力，取其平均值F D ，这个平均值对工程计算是足够的。以CHC011前减振器为例。
试验值如下： 试验速度（m/s）0.05 0.1 0.3 0.6 1.5 压缩阻力（N） 170.9 287.0 464.6 692.2 1355.0 拉伸阻力(N)
733.5
1062.4
2022.8
3294.3
6109.3
当活塞速度为0.3 m/s 时，
F D =(2022.8+464.6)/2=1243.7 此时减振器的阻尼系数为：
K D = F D /V D =4145.7 1.4.3缓冲块
悬架缓冲块目前多采用多孔聚氨酯材料制成，橡胶材料逐渐被其取代，其主要优点有：
1）、质量小，大约是同样大小橡胶缓冲块的1/2；
2）、变形大，有很好的非线性特性。橡胶缓冲块的压缩变形量约为自由高度的50%，而聚氨酯材料制成的多孔型缓冲块，其压缩变形量可达自由高度的75%；
3）、承载时外径尺寸变化小，所需径向尺寸空间小。
另外，聚氨酯材料塑性变形小，耐老化、耐吸水性好。拆车阶段应测量缓冲块的刚度特性，作为后期设计的依据。
图1-12
1.4.4横向稳定杆
横向稳定杆国内一般使用的材料为60Si2Mn、50CrVA。为了减少质量，有的横向稳定杆采用空心圆管制成，管壁厚与圆管外径之比多为0.125左右，此时比实心杆外径增加了11.8%，但质量可以减小约50%。
横向稳定杆一般为对称件，有时受空间的限制，会存在不对称的现象，特别是后横向稳定杆，但应保证稳定杆两端的安装点是对称的。另外，横向稳定杆各拐点处的倒角不宜过小，否则容易造成应力集中，一般倒角半径在30mm以上，为便于加工，各拐点处的倒角尽量做成一致。如图1-13所示：
图1-13 CHC011前横向稳定杆
横向稳定杆在设计匹配时应结合整车质量参数及悬架刚度的变化进行相应
调整，下面列举几种车型前横向稳定杆尺寸，以供参考。
车型 标杆车前横向稳定杆直径（mm）设计车前横向稳定杆直径（mm）设计车刚度（N·mm/rad）CH041 23 26 3.0×107
CHB011 24.5 24.5 2.86×107
CHB021 20 23 4.55×107
CHC011 φ26(空心，内径φ17) φ26 7.1×107
1.4.5控制臂和推力杆
控制臂又称摆臂，通常一端通过橡胶衬套与副车架或车身铰接，另一端用球
头销和车轮相连，传递车轮和车身之间的一切力和力矩，因此需要较大的刚度。
其结构型式一般为钢板冲压件、锻造、铸造或钢管焊接，冲压件控制臂的断面多
为盒形结构，如图1-14所示，铸件、锻件控制臂的断面采用“H”形结构，如图
1-15所示。控制臂的布置形式及尺寸也决定了悬架系统的运动特性。
图1-14 CHC011前上摆臂数模及断面（钣金件）
图1-15 CHC011前下摆臂数模及断面（铸铁件）
推力杆是传递力的二力杆，纵向布置的推力杆传递纵向力，横向布置的推力杆传递横向力。推力杆的两端通常用橡胶衬套或球头销作为支点并可绕其转动，但杆向自由度被限制，传递杆向载荷。在有些悬架中，控制臂和推力杆同时存在，起导向和传力作用。推力杆也是决定悬架系统运动特性的重要部件，一些推力杆还可以通过调整长度来调整车轮定位参数,比如后轮前束和外倾一般就是通过偏心螺栓调整推力杆的长度来实现的，如图1-16
所示。
图1-16 CHC011后悬架前束调整臂
2 悬架系统的主要设计流程及要求
2.1悬架系统的主要设计流程
悬架系统的设计一般以逆向设计为主，正向设计为辅。在设计过程中应遵循以下原则：
1、悬架主要零部件与车身连接的安装硬点相对位置关系尽量保持不变；
2、弄清控制臂及推力杆的空间位置关系，保证相对位置不变；
3、设计车各状态四轮定位参数值应尽量与标杆车接近且在运动过程中的变化范围及趋势不应高于标杆车；
4、根据设计车簧载质量的变化，需对弹簧刚度进行适当调整,二者成正比关系；
5、对不同刚度、不同簧载质量的悬架系统应重新匹配减振器阻尼系数；
6、零件之间的间隙应合理，相对不动的件至少保留5mm以上间隙，相对运动的件在各个运动位置的最小间隙至少保留10mm以上；
7、应考虑各零件的拆装方便性；
2.3相关设计标准
?《悬架用圆柱螺旋压缩弹簧技术条件》 Q/CC JT009-2008
?《汽车横向稳定杆技术条件》 Q/CC JT010-2008
?《汽车减振器总成技术条件》 Q/CC JT081-2008
?《汽车产品减振缓冲橡胶技术条件》 Q/CC JT242-2010
?《整车悬架静刚度试验方法》 Q/CC SY004-2010
?《车用橡胶减振零部件动静特性试验方法》 Q/CC SY050-2009
?《汽车悬挂系统的固有频率和阻尼比测定方法》 Q/CC SY065-2009
?《副车架刚度试验方法》 Q/CC SY070-2010
?《四轮定位试验方法》 Q/CC SY151-2010
?《车用轴套类零部件扭转静刚度试验方法》 Q/CC SY162-2010
?《汽车用紧固件扭矩选用规范》 Q/CC 043-2009
?《整车三维数模底盘及总布置要求》 Q/TJI/DP.03.101-2010 ?《底盘各系统计算结果限值要求》 Q/TJI/DP.XX.XXX-2010 ?《悬架运动校核规范》 TJI/YJY.03.120-2005 ?《悬架系统零部件周边最小间隙的规定》 TJI/YJY·03·71-2005